MR-Artefakte
Bewegungs- und Pulsationsartefakt
Ursache des Artefakts
Bewegungs- und Pulsationsartefakte sind die häufigsten Artefakte in der MRT. Spins,
die sich bewegen, erfahren zwischen Anregungspuls und Datenauslese in Summe ein anderes
Gradientenfeld als ruhende Spins. Dies resultiert in Phasenfehlern, die wiederum Ursache
für eine Fehlregistrierung im MR-Bild sind.
Zwei unterschiedliche Bewegungstypen können Ursache der Artefakte sein:
-
Willkürliche oder unwillkürliche Bewegungen des Körpers oder von Organen (z. B. Darmperistaltik):
Die hieraus resultierenden Artefaktmuster sind irregulär und nicht vorhersagbar. Generell
bewirken sie verwischte Bilder und Geister außerhalb des bewegten Organs oder Körperteils.
-
Pulsatile Strömung von Flüssigkeiten (z. B. fließendes Blut oder Zerebrospinalflüssigkeit):
In Phasencodierrichtung resultiert hieraus ein periodisches Muster von Kopien der
pulsierenden Struktur. Der Abstand zwischen diesen Geistern ist dabei proportional
zur Pulsfrequenz (Abb. [2]).
Abb. 2 Flussartefakte: In dieser transversalen MR-Aufnahme sind Flussartefakte des Sinus
sigmoideus in Phasencodierrichtung (rechts – links) zu erkennen, außerdem Flussartefakte
der A. basilaris.
Vermeidung des Artefakts
Da Bewegungs- und Pulsationsartefakte unterschiedlichste Ursachen haben können, gibt
es unterschiedliche Wege, die Artefakte zu minimieren oder zu vermeiden:
-
Reduktion der Bewegung während der MR-Messung: Willkürliche Bewegungen können durch
eine stabile Lagerung des untersuchten Körperteils verringert werden. Deutlich schwieriger
ist es, unwillkürliche Bewegungen zu vermeiden. Beispielsweise können krampflösende
Medikamente verabreicht werden, um die Darmperistaltik einzuschränken.
-
Triggerung: Hierbei wird die MR-Messung durch die Erfassung physiologischer Parameter
(EKG, Puls, Atembewegung) ausschließlich in definierten Bewegungszuständen durchgeführt,
z. B. in einer bestimmten Atemposition oder in einem bestimmten Stadium des Herzzyklus.
Allerdings verlängert sich die Akquisitionszeit durch Triggerung i. d. R. erheblich.
-
Vorsättigung: Artefakte aufgrund fließenden Bluts können durch eine Vorsättigung der
Spins im Blut verringert werden. Hierzu wird entweder auf einer Seite oder auf beiden
Seiten des Schichtblocks eine Sättigungsschicht platziert.
-
Mittelung: Durch Aufnahme mehrerer Akquisitionen und anschließender Mittelung können
vor allem Artefakte aufgrund irregulärer Bewegungen minimiert werden.
-
Flusskompensation: Durch spezielle Gradientenschaltungen in einer oder mehreren Gradientenrichtungen
wird der Phaseneffekt von linearem oder sinusförmig pulsierendem Blut vermieden [2]. Da hierzu das 1. bzw. 2. Momentum der Gradienten Null sein muss, spricht man auch
von „gradient moment nulling” (GMN). Nachteil dieser Flusskompensationstechniken ist,
dass durch die komplexeren Gradientenschaltungen die Echozeit verlängert wird und
daher Sequenzen mit ultrakurzen Echozeiten nicht mehr möglich sind.
-
Änderung der Phasencodierrichtung: Ist die Artefaktquelle sehr klein und nur ein Teil
des Bildes von Interesse, kann ein Wechsel der Phasencodierrichtung sinnvoll sein,
falls man hierdurch die Geister aus dem interessierenden Organ bzw. der interessierenden
Region hinausdrängen kann.
-
Spezielle MR-Sequenzen: Durch Anwendung ultraschneller Sequenzen (EPI, HASTE), die
die Bilder innerhalb weniger Millisekunden aufnehmen, kann die Bewegung quasi eingefroren
werden. Eine weitere Möglichkeit ist die nachträgliche Bewegungskorrektur durch separate
Erfassung der Phaseninformation (Navigator Echo) [3]. Außerdem kann durch radiale Abtastung des k-Raums eine geringere Bewegungssensitivität
erreicht werden, da bei dieser Art der Datenaufnahme das Zentrum des k-Raums mehrfach
ausgelesen wird [4]. Ein Beispiel für diese Sequenzgruppe ist die PROPELLER-Sequenz („periodically rotated overlapping parallel lines with enhanced reconstruction”).
Bildunschärfe (Blurring)
Ursache des Artefakts
Werden die hohen Frequenzen im k-Raum nicht aufgenommen, werden Kanten und Grenzflächen
anatomischer Strukturen im MR-Bild unscharf dargestellt. Dies ist immer dann der Fall,
falls die Zahl der Phasencodierschritte, z. B. zur Verkürzung der Messzeit bei dynamischen
MR-Sequenzen, reduziert wird. Doch auch bei Wahl einer adäquaten Zahl von Phasencodierschritten
kann dieses Artefakt auftreten, falls schnelle Bildgebungstechniken wie Turbo-Spin-Echo-(TSE-)
oder EPI-Sequenzen verwendet werden (Abb. [3]). Da die Auslesezeit bei diesen Verfahren sehr lang ist, kann es passieren, dass
in den äußeren Zeilen des k-Raums nur noch Rauschen akquiriert wird, da aufgrund der
hohen Echozeit die Quermagnetisierung bereits zerfallen ist.
Abb. 3 Transversale TSE-Aufnahmen mit Turbofaktor (a) 9, (b) 17 und (c) 31. Mit zunehmendem Turbofaktor kommt es zu einer Kantenunschärfe (Blurring).
Vermeidung des Artefakts
Dieses Artefakt kann nur vermieden werden, indem man die Voraussetzungen dafür schafft,
dass auch in den äußeren Zeilen des k-Raums Signal erfasst werden kann. Dies kann
durch die Wahl des Ausleseschemas geschehen: So ist eine sequenzielle Auslese des
k-Raums günstiger als eine zentrische, da bei der sequenziellen Auslese zumindest
die Hälfte der hochfrequenten Signalinformationen bei niedrigen Echozeiten aufgenommen
wird, während bei der zentrischen nur die Mitte des k-Raums bei niedrigen Echozeiten
akquiriert wird, die äußeren Teile des k-Raums jedoch immer bei höheren Echozeiten.
Allerdings ist eine zentrische Auslese beispielsweise bei T1- oder PD-gewichteten
Sequenzen erforderlich, da hier eine niedrige effektive Echozeit benötigt wird.
Eine zweite Möglichkeit zur Reduktion des Artefakts besteht darin, die Akquisitionszeit
für den gesamten Echozug zu verkürzen. Dies ist möglich, indem man die Echozuglänge
reduziert, wodurch sich aber Messzeit verlängert. Daher ist hier die Anwendung von
Parallel Imaging sinnvoll. Der Echozug kann auch verkürzt werden, indem die Auslesebandbreite
erhöht wird, da hierdurch die Auslesedauer für jedes einzelne Echo verringert wird.
Dies ist jedoch nur auf Kosten des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) möglich.
Chemische Verschiebung 1. Ordnung
Ursache des Artefakts
Auf Wasserstoffprotonen, die in unterschiedlichen Molekülen gebunden sind, wirken
wegen der Abschirmungseffekte der Elektronenwolken unterschiedliche effektive Magnetfelder.
Daher unterscheiden sich die Präzessionsfrequenzen von Wasser und Fett. Die relative
Frequenzverschiebung zwischen dem Wasserpeak und dem Fettpeak beträgt 3,5 ppm. Aufgrund
dieser Frequenzverschiebung kommt es während der Datenaufnahme zu einer Dephasierung
von Wasser- und Fettprotonen (Abb. [4]), die in einer fehlerhaften Registrierung resultiert. Das heißt, Wasser- und Fettprotonen,
die sich am gleichen Ort befinden, werden unterschiedlichen Pixeln zugeordnet. Die
Zahl der Pixel, um die Fett- und Wassersignal gegeneinander verschoben sind, ist umso
größer, je kleiner die Auslesebandbreite, d. h. je länger die Auslesezeit ist [5]. Bei Standardsequenzen treten Artefakte aufgrund der chemischen Verschiebung ausschließlich
in Ausleserichtung auf. Bei EPI-Sequenzen ist dagegen die Bandbreite in Phasencodierrichtung
aufgrund des langen Echozugs sehr klein; daher ist der Versatz zwischen Fett- und
Wassersignal in EPI-Bildern in Phasencodierrichtung um ein Vielfaches größer als in
Standardsequenzen (Abb. [5]).
Abb. 4 Chemical-Shift-Artefakte 1. Ordnung: In Frequenzcodierrichtung (rechts – links) kommt
es an den Grenzen zwischen Fett und Organgewebe zu hypointensen Rändern, jedoch ausschließlich
an einer Seite (hier rechts, Pfeile).
Abb. 5 Spin-Echo-EPI-Sequenz. a Aufgrund der extrem geringen Bandbreite in Phasencodierrichtung (anterior – posterior)
sind die Fett- und Wassersignale um mehrere Pixel gegeneinander verschoben (Pfeile).
b Durch spektrale Fettsättigung kann dieses Artefakt vermieden werden.
Vermeidung des Artefakts
Um die Artefakte aufgrund der chemischen Verschiebung zu minimieren, sollte man die
Auslesebandbreite möglichst hoch wählen. Dies führt jedoch aufgrund der kurzen Auslesezeit
zu einem geringeren SNR: Da die Bandbreite in Phasencodierrichtung bei EPI-Sequenzen
wegen des speziellen Datenausleseschemas nicht wesentlich erhöht werden kann, ist
es in diesem Fall unabdingbar, die Fettspins durch einen spektralen Fettsättigungspuls
zu unterdrücken (Abb. [5]).
Chemische Verschiebung 2. Ordnung
Ursache des Artefakts
Auch dieses Artefakt basieren auf der chemischen Verschiebung zwischen Fett- und Wasserprotonen;
im Gegensatz zu den Artefakten 1. Ordnung tritt es jedoch ausschließlich bei Gradienten-Echo-Sequenzen
auf. Wie oben beschrieben, führt die unterschiedliche Präzessionsfrequenz von Fett-
und Wasserprotonen zu einer Phasenverschiebung, die sich mit der Zeit nach der Hochfrequenzanregung
verändert. Beträgt diese Phasenverschiebung 180 °, wird in Volumenelementen, in denen
sowohl Wasser als auch Fett vorhanden ist, das resultierende Signal niedriger, da
sich die Magnetisierungskomponenten – abhängig von der relativen Konzentration der
Fett- und Wasserprotonen – teilweise oder völlig auslöschen („opposed-phase”-Bedingung)
[6]. Daher entstehen bei Gradienten-Echo-Sequenzen mit der Echozeit
dunkle Linien an der Grenzfläche zwischen Fett und anderen Geweben (γ: gyromagnetisches
Verhältnis, B0: statisches Magnetfeld) (Abb. [6]). Diese Artefakte sind bei 1,5 Tesla für Echozeiten von z. B. 2,2 ms und 6,6 ms
zu sehen.
Abb. 6 Chemical-Shift-Artefakte 2. Ordnung bei einer Gradienten-Echo-Sequenz. a TE ist so gewählt, dass Wasser- und Fettprotonen in Phase sind. b Aufnahme in der „opposed-phase”-Bedingung. Zwischen Fettgewebe und wasserhaltigen
Strukturen kommt es zu hypointensen Rändern. Im Gegensatz zu Chemical-Shift-Artefakten
1. Ordnung treten diese Ränder nicht nur auf einer Seite, sondern an allen Grenzflächen
auf.
Vermeidung des Artefakts
Dieses Artefakt kann leicht vermieden werden, indem man Echozeiten wählt, in denen
die Fett- und Wasserspins in die gleiche Richtung zeigen, da sich dann die Signale
der Wasser- und Fettprotonen verstärken. Dies ist der Fall für folgende Echozeiten:
Allerdings ist das Artefakt in manchen Fällen diagnostisch von Nutzen, z. B., um fettige
Infiltrationen in der Leber sensitiv darstellen zu können [7].
Crosstalk
Ursache des Artefakts
Da die Hochfrequenzpulse in der MR-Bildgebung sehr kurz sind (im Bereich von Mikrosekunden),
weicht das Schichtprofil grundsätzlich von der idealen Rechteckfunktion ab. Daher
werden auch in benachbarten Schichten Spins angeregt, was wiederum zur partiellen
Sättigung bzw. zu einem veränderten Bildkontrast in benachbarten Schichten führt.
Vermeidung des Artefakts
Dieses Artefakt kann weitgehend vermieden werden, indem man zwischen den Schichten
eine Schichtlücke von 10 – 20 % der Schichtdicke wählt, in der keine Anregung bzw.
Auslese erfolgt. Je kürzer der verwendete Hochfrequenzpuls, umso größer ist die Schichtlücke,
die gewählt werden muss, um das Artefakt vollständig zu unterdrücken. Allerdings besteht
die Gefahr, dass man auf diese Weise sehr kleine Läsionen übersieht, wenn sich diese
zufällig innerhalb der Schichtlücke befinden.
Ein zweites Verfahren zur Elimination des Artefakts besteht darin, die Schichten nicht
in der Reihenfolge ihrer Schichtposition anzuregen, sondern zunächst die ungeradzahligen,
dann die geradzahligen. Hierdurch erreicht man einen maximalen zeitlichen Abstand
bei der HF-Anregung zweier benachbarter Schichten.
Durch Kombination beider Methoden kann der Crosstalk auch mit sehr kleinen Schichtlücken
(5 – 10 % der Schichtdicke) fast vollständig vermieden werden.
Dephasierungsartefakt
Ursache des Artefakts
Dephasierungsartefakte treten dort auf, wo Spins, die sich innerhalb desselben Voxels
befinden, zwischen Anregungspuls und Datenauslese unterschiedliche Magnetfelder erfahren.
Dies ist vor allem bei intravaskulären Spins der Fall und wirkt sich bei der MR-Angiografie
negativ aus: In Regionen mit turbulentem Fluss, z. B. hinter Stenosen oder in Aneurysmen,
können Spins, die während der Auslese benachbart sind, unterschiedliche Gradientenfelder
durchlaufen haben und daher unterschiedliche Phasen aufweisen. Weniger augenfällig,
aber genauso störend ist das Artefakt an den Rändern von Blutgefäßen: Da der Geschwindigkeitsgradient
aufgrund des paraboloiden Flussprofils bei laminarem Fluss vor allem zum Gefäßrand
hin am größten ist, weisen auch hier Spins im selben Voxel unterschiedliche Phasen
auf. Dies führt dazu, dass kleine Blutgefäße, deren Durchmesser jedoch größer als
die nominelle räumliche Auflösung ist, nicht oder nicht durchgängig dargestellt werden
können.
Vermeidung des Artefakts
Grundsätzlich kann man 2 Strategien anwenden, um Intravoxel-Dephasierungseffekte zu
reduzieren:
-
Man reduziert die Echozeit und gibt den Spins damit weniger Zeit zu dephasieren. Es
ist grundsätzlich sinnvoll, eine möglichst hohe Auslesebandbreite zu verwenden.
-
Man vergrößert die Ortsauflösung, d. h. reduziert die Voxelgröße, und bewirkt damit,
dass alle Spins des Voxels eine möglichst homogene Phase haben.
Zusätzlich wirken sich Dephasierungseffekte in der kontrastmittelverstärkten MR-Angiografie
weniger aus als bei den konventionellen Techniken wie Time-of-Flight- und Phasenkontrast-MR-Angiografie,
da der Kontrast bei der kontrastmittelverstärkten MR-Angiografie vor allem auf T1-Effekten
und weniger auf Flusseffekten beruht.
Dielektrischer Effekt
Ursache des Artefakts
Je höher die in der MRT verwendete Magnetfeldstärke ist, umso kleiner wird die für
die Hochfrequenzanregung benötigte Wellenlänge. Ab einer Feldstärke von 3 Tesla liegen
die HF-Wellenlänge und die untersuchten Objekte aufgrund der hohen dielektrischen
Konstante von Gewebe in vergleichbarer Größenordnung. Hierdurch können sich innerhalb
des untersuchten Objekts stehende Wellen ausbilden. Diese stehenden Wellen wiederum
bewirken, dass die Hochfrequenzanregung nicht in jedem Voxel gleich stark ist, sondern
Maxima und Minima bildet. Hierdurch erhält man an Hochfeld MR-Tomografen inhomogene
Signalprofile.
Vermeidung des Artefakts
Es gibt verschiedene Ansätze, dieses Artefakt zu minimieren: Einerseits kann man spezielle
Pulssequenzen verwenden, die weniger sensitiv auf Inhomogenitäten des Hochfrequenzfelds
sind [8], oder bei den Anregungspulsen solche Pulsformen auswählen, die ein möglichst homogenes
Hochfrequenzfeld erzeugen [9]. Andererseits eröffnet sich ein Weg über die Hardware: Durch Verwendung von Mehrkanal-Sende-
und Empfangsspulen können dielektrische Effekte eliminiert werden. Solche Spulen werden
derzeit für 7-Tesla-Geräte entwickelt, bei denen dielektrische Effekte die Bildqualität
noch stärker stören als bei 3-T-Geräten; es ist zu erwarten, dass dieses Konzept auch
in die Bildgebung bei 3 Tesla einfließt.
Einfaltungsartefakt
Ursache des Artefakts
Ein Einfaltungsartefakt tritt dort auf, wo das Field of View (FOV) kleiner ist als
das untersuchte Objekt. Da die Ortscodierung in der MRT durch eine Modulation der
Präzessionsfrequenz mittels Magnetfeldgradienten über das gesamte Objekt erzielt wird,
ist eine eindeutige Erfassung dieser Modulation entweder direkt über die Frequenz
oder indirekt über den Phasenwinkel essenziell. Präzessionsfrequenzen, die größer
sind als die halbe Abtastfrequenz, können nicht mehr erfasst werden und werden fälschlicherweise
als niedrige Frequenz codiert. Da die Abtastfrequenz durch die Größe des FOV bestimmt
wird, werden Körperteile, die in einer Richtung über das FOV hinausragen, von der
entgegengesetzten Seite wieder in das MR-Bild hineingefaltet. In der Ausleserichtung
wird dies automatisch verhindert, indem eine Abtastfrequenz gewählt wird, die doppelt
so hoch ist wie die maximal zu erwartende Modulationsfrequenz. Dies ist in Phasencodierrichtung
jedoch nicht der Fall. Daher treten Einfaltungsartefakte immer in Phasencodierrichtung
auf. Während die Einfaltungsartefakte bei 2D-Sequenzen leicht zu erkennen und zuzuordnen
sind, ist das bei 3D-Sequenzen schwieriger: Hier können Signale in andere Schichten
einfalten und die dortige Bildinformation stören (Abb. [7]).
Abb. 7 Einfaltungsartefakte. a In Phasencodierrichtung (anterior – posterior) bei einer 2D-Sequenz. b In der 2. Phasencodierrichtung (anterior – posterior) bei einer 3D-Sequenz.
Vermeidung des Artefakts
Es gibt verschiedene Wege, um Einfaltungsartefakte zu vermeiden, die jedoch auch Nachteile
mit sich bringen können:
-
Vergrößerung des FOV: Nachteilig ist die daraus resultierende geringere Ortsauflösung,
sofern diese nicht ebenfalls angepasst wird.
-
Wahl der Phasencodierrichtung in Richtung der kürzesten Achse des Körperteils: Hierdurch
können sich jedoch andere Artefakte, beispielsweise Bewegungs- oder Pulsationsartefakte,
störend auf die Bildinformation auswirken.
-
Erhöhung der Zahl der Phasencodierschritte (Oversampling): Hiermit ist jedoch eine
Verlängerung der Messzeit verbunden.
-
Einsatz dedizierter Spulensysteme, die nur einen bestimmten Teil des Körperbereichs
ausleuchten: Ist dieser Ausleuchtungsbereich kleiner als das FOV in Phasencodierrichtung,
wird kein Signal außerhalb des FOV erfasst. Einen vergleichbaren Effekt erhält man
durch Absättigung der Spins außerhalb des FOV durch Vorsättigungspulse, die in geeigneter
Weise positioniert werden.
-
Wahl eines schicht(block)selektiven Anregungspulses bei 3D-Sequenzen: Hierdurch kann
man Einfaltungsartefakte in der 2. Phasencodierrichtung vermeiden.
EPI-Ghosting
Ursache des Artefakts
Bei EPI-Sequenzen müssen die Auslesegradienten sehr schnell auf hohe Gradientenstärken
geschaltet und wieder abgeschaltet werden, um eine schnelle Abtastung der Zeilen im
k-Raum zu ermöglichen. Dabei bilden sich im Scanner Wirbelströme aus, die dem Aufbau
des Gradienten entgegenwirken. Dies wiederum bewirkt, dass das Signalmaximum nicht
in der Mitte des k-Raums registriert wird, sondern bei ungeraden Phasencodierschritten
dahinter und bei geraden Phasencodierschritten davor. Aufgrund dieser Zickzack-Linie
der Signalmaxima entstehen EPI-Geister, bei denen die Originalstruktur um FOV/2 in
Phasencodierrichtung verschoben abgebildet wird (Abb. [8]). Auch wenn die EPI-Geister ähnlich aussehen wie Einfaltungsartefakte, unterscheiden
sie sich von ihnen dadurch, dass EPI-Geister auch dann auftreten, wenn das untersuchte
Objekt in Phasencodierrichtung kleiner ist als das FOV.
Abb. 8 EPI-Ghosting bei einer Spin-Echo-EPI-Sequenz: Das abgebildete Objekt erscheint zusätzlich
als Geisterbild mit einem Versatz von FOV/2 in Phasencodierrichtung (rechts – links).
Vermeidung des Artefakts
EPI-Ghosting kann vermieden werden, indem die Form der Gradientenpulse und der Zeitpunkt
der Gradientenschaltung adjustiert werden (Preemphasis) [10]. Während dies früher von Hand eingestellt werden musste, werden Korrekturverfahren
zur Beseitigung von EPI-Ghosting bei den neuen Scannergenerationen automatisch durchgeführt.
Magic-Angle-Artefakt
Ursache des Artefakts
Magic-Angle-Artefakte treten ausschließlich in kollagenhaltigen Geweben wie Sehnen,
Bändern und peripheren Nerven auf (Abb. [9]). In diesen Strukturen hängt die T2-Zeit und damit das Signal in T2w Sequenzen davon
ab, wie die Struktur in Relation zum statischen Magnetfeld orientiert ist. Dabei ergeben
sich die niedrigsten T2-Zeiten, wenn die Struktur parallel zum Feld ausgerichtet ist,
die höchsten T2-Zeiten werden dagegen gemessen, wenn die Struktur und das Magnetfeld
einen Winkel von 55 ° bzw. 125 ° einschließen. Das Magic-Angle-Artefakt, das eine
pathologische Signalerhöhung vortäuschen kann, ist darauf zurückzuführen, dass je
nach Winkel die Dipol-Dipol-Interaktion zwischen Wasserspins und der quasikristallinen
Struktur des Tropokollagens unterdrückt wird [11]
[12]. Er wird bei Sehnen und Bändern teilweise zur Bildgebung ausgenutzt, da diese Strukturen
aufgrund ihrer äußerst geringen T2-Zeiten nur im Bereich der „magic angles” von 55 °
und 125 ° dargestellt werden können.
Abb. 9 Magic-Angle-Artefakt: transversale Schicht durch den Oberschenkel. a Ist der Oberschenkel parallel zum Magnetfeld orientiert, wird der N. ischiadicus
(Kreis) isointens zum Muskel abgebildet. b Bei einer Neigung des Oberschenkels zum Magnetfeld von 55° ist der N. ischiadicus
deutlich hyperintens.
Vermeidung des Artefakts
Dieses Artefakt kann ausschließlich dadurch vermieden werden, dass die interessierende
Struktur möglichst parallel zum Magnetfeld gelagert wird. Bei komplexen Strukturen,
z. B. beim Plexus, ist dies jedoch nicht möglich. In solchen Fällen kann lediglich
durch Wahl der Echozeit versucht werden, das Artefakt von Effekten pathologisch veränderter
Strukturen sicher zu unterscheiden.
Partialvolumeneffekt
Ursache des Artefakts
Dieses Artefakt tritt auf, wenn die räumliche Auflösung so gering ist, dass innerhalb
eines Volumenelements (Voxel) mehrere Gewebeentitäten zu finden sind. In einem solchen
Voxel ergibt sich die Signalintensität als gewichtetes Mittel der verschiedenen Signalintensitäten.
In 2D-Sequenzen treten Partialvolumeneffekte vorwiegend in Schichtrichtung auf, da
in solchen Sequenzen die räumliche Auflösung eine große Anisotropie aufweist. Zudem
können die Spins unterschiedlicher Gewebe bei Gradienten-Echo- und Echo-Planar-Imaging-Sequenzen
in einem Voxel dephasieren, was eine fokale Signalreduktion zur Folge hat.
Generell können Partialvolumeneffekte dazu führen, dass kleine und schlecht kontrastierte
Strukturen nicht mehr abgegrenzt werden können. Bei der Volumetrie führen Partialvolumeneffekte
zu einer Unterschätzung des Läsionsvolumens. Vor allem in Gradienten-Echo-Sequenzen
können darüber hinaus Strukturen vorgetäuscht werden, die anatomisch nicht vorhanden
sind.
Vermeidung des Artefakts
Um Partialvolumeneffekte zu minimieren, muss die räumliche Auflösung erhöht werden;
bei 2D-Sequenzen gilt hierbei ein besonderes Augenmerk der Schichtdicke. Hierdurch
wird jedoch das SNR verringert. Bei stark T2*w Sequenzen, vor allem bei Gradienten-Echo-EPI-Sequenzen,
ist die Reduktion des SNR paradoxerweise jedoch geringer, als man es aus der Verkleinerung
der Voxel schließen würde. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Intravoxeldephasierung
und die damit verbundene Signalreduktion bei kleinen Voxeln geringer sind.
Sättigungsartefakt
Ursache des Artefakts
Werden auf Spins mit hoher Wiederholungsrate Hochfrequenzpulse eingestrahlt, kann
die Longitudinalmagnetisierung nicht mehr ausreichend durch T1-Relaxation zwischen
den Pulsen wiederhergestellt werden. Dabei kann die effektive Repetitionszeit (TR)
kleiner sein als die für die Sequenz angegebene TR. Sind etwa Schichten oder Schichtblöcke
gegeneinander anguliert und überlappen sich in bestimmten Bereichen, können in diesen
überlappenden Bereichen Sättigungsartefakte auftreten.
In der TOF-MR-Angiografie (TOF = Time-of-Flight) treten sehr häufig Sättigungsartefakte
auf, da hier zur Unterdrückung des stationären Gewebes sehr kurze TR verwendet werden.
So treten z. B. Artefakte auf, wenn das Gefäß über einen größeren Bereich innerhalb
einer Schicht verläuft. Sie können auch auftreten, wenn die Dicke des Schichtblocks
(S) bei 3D-TOF-Sequenzen so groß ist, dass die Spins viele Repetitionszeiten (TR)
benötigen, um den gesamten Schichtblock zu durchqueren. In diesem Fall ist TR << S/vBlut, wobei vBlut die Fließgeschwindigkeit des Bluts ist. Bei der 2D-TOF können Sättigungsartefakte
entstehen, wenn die Reihenfolge, in der die Schichten angeregt bzw. ausgelesen werden,
mit der Richtung des Flusses übereinstimmt.
In den genannten Fällen entsteht eine Absättigung der Spins im Blut und somit ein
Kontrastverlust zwischen Gefäßen und stationärem Gewebe.
Vermeidung des Artefakts
Grundsätzlich muss bei mehreren, gegeneinander verkippten Schichten darauf geachtet
werden, dass sich die Schichten nicht überschneiden oder die Akquisition nicht im
Mehrschichtmodus erfolgt.
Um Sättigungsartefakte bei der TOF-MR-Angiografie zu vermeiden, sollte der Schichtblock
in der interessierenden Region immer senkrecht zum Gefäß positioniert werden. Wenn
die Gefäße in einem großen Volumen abgebildet werden sollen, ist es sinnvoll, anstatt
eines dicken Schichtblocks mehrere, teilweise überlappende Schichtblöcke zu verwenden
[13]. Ein weiteres Verfahren zur Reduktion der Sättigungsartefakte in dickeren Schichten
oder bei langsamem Fluss ist die TONE-Technik (TONE = „tilted optimized nonsaturating excitation”): Hier wird der Flip-Winkel des Hochfrequenzpulses linear vom proximalen
zum distalen Ende des 3D-Blocks erhöht, um einen gleichmäßigen Kontrast zwischen Gefäß
und Hintergrundgewebe über den gesamten 3D-Block zu garantieren [14].
Spike
Ursache des Artefakts
Spikes treten auf, wenn es in einer der für Empfang und Verstärkung des MR-Signals
verantwortlichen Hardwarekomponenten zu einer elektrischen Entladung kommt. Im k-Raum
machen sich solche Entladungen als einzelne helle Punkte bemerkbar. Nach der Bildrekonstruktion
ergeben die Spikes dann ein Streifenmuster über das gesamte MR-Bild, dessen Frequenz
und Richtung davon abhängt, wo der Spike im k-Raum aufgetreten ist.
Vermeidung des Artefakts
Sind diese Artefakte auf defekte Komponenten auf der Empfangsseite des MR-Tomografen
zurückzuführen, müssen diese Komponenten ausgetauscht werden. Häufig treten Spikes
jedoch auf, wenn die Luftfeuchtigkeit im Scannerraum zu gering ist, was den Aufbau
elektrostatischer Felder mit anschließender Entladung begünstigt. Daher sollte unbedingt
darauf geachtet werden, dass die vom Hersteller vorgegebenen Spezifikationen für die
Luftfeuchtigkeit erfüllt werden.
Stimulated-Echo-Artefakt
Ursache des Artefakts
Stimulated-Echo-Artefakte werden durch periodisch applizierte Hochfrequenzpulse verursacht,
die vor allem in TSE-Sequenzen zu finden sind. Die Stimulated-Echos überlagern sich
mit den Spin-Echos und sind im MR-Bild meist als eine lokale Ansammlung feiner Linien
zu erkennen. Das Artefakt kann ebenfalls durch Crosstalk der Hochfrequenzpulse benachbarter
Schichten entstehen.
Vermeidung des Artefakts
Ist das Artefakt durch Crosstalk entstanden, kann er beseitigt werden, indem der Schichtabstand
erhöht oder die Schichten verzahnt angeregt werden. Ist das Artefakt dagegen durch
eine Serie von 180 °-Pulsen entstanden, kann er durch eine höhere Bandbreite oder
durch eine Veränderung der Echozeit minimiert werden. Zur Vermeidung der Stimulated-Echo-Artefakte
verwenden die meisten Hersteller Crusher-Gradienten, um die Transversalmagnetisierung
nach jedem ausgelesenen Echo zu vernichten.
Suszeptibilitätsartefakt
Ursache des Artefakts
Suszeptiblitätsartefakte treten überall dort auf, wo das statische Magnetfeld nicht
homogen ist. Im regulären Betrieb rühren solche Artefakte nicht vom MR-Tomografen
selbst her, da der Hersteller ein Mindestmaß an Homogenität in einem definierten Radius
garantieren muss. Jedes in den Scanner eingebrachte Objekt verursacht jedoch aufgrund
seiner magnetischen Suszeptibilität geringfügige Veränderungen des Magnetfelds. An
Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Materialien, z. B. an Knochen-Luft-, Knochen-Gewebe-Grenzen
oder an metallischen Objekten, treten Suszeptibilitätssprünge auf, die zu lokalen
Feldverzerrungen führen.
Diese Feldverzerrungen führen dazu, dass die Spins innerhalb eines Voxels unterschiedlich
starke Felder „sehen”. Während die daraus resultierende Dephasierung bei Spin-Echo-Sequenzen
mittels Refokussierungspulsen kompensiert werden kann, ist dies bei Gradienten-Echo-Sequenzen
nicht möglich und resultiert in einer lokalen Signalreduktion (Abb. [10]). Besonders stark wirken sich die Artefakte bei Gradienten-Echo-EPI-Sequenzen aus,
da diese Sequenzen aufgrund der Vielzahl der verwendeten Gradienten-Echos und der
langen effektiven Echozeit sehr empfindlich auf Feldverzerrungen sind. Außerdem sind
die Artefakte umso größer, je höher die Feldstärke des Magneten ist.
Abb. 10 Suszeptibilitätsartefakt durch metallischen Inlay. a In direkter Nähe zum Metall wird das Signal komplett ausgelöscht (Pfeile). b In entfernteren Schichten sind sowohl Signalauslöschungen als auch Hyperintensitäten
zu sehen (Pfeile).
Aufgrund von Suszeptibilitätssprüngen treten bei spektraler Fettsättigung außerdem
Artefakte auf. Diese sind darauf zurückzuführen, dass die Fettprotonen nicht in allen
Regionen adäquat gesättigt werden können, da ihre Resonanzfrequenz im untersuchten
Volumen nicht homogen ist (Abb. [11]).
Abb. 11 Inhomogene spektrale Fettsättigung. Aufgrund starker Suszeptibilitätsänderungen zwischen
Kopf, Hals und Schulter hat Fett in diesen Bereichen unterschiedliche Resonanzfrequenzen.
Daher wird das Fettsignal von Kopf und Hals mit spektraler Fettsättigung unterdrückt,
während die spektrale Fettsättigung auf Höhe der Schultern versagt (Pfeile). a Sagittale Aufnahmen. b Koronale Aufnahmen.
Vermeidung des Artefakts
Sind die Artefakte sehr störend, beispielsweise in der Nähe von metallischen Implantaten,
empfiehlt sich die Verwendung von Spin-Echo- anstelle von Gradienten-Echo-Sequenzen.
Da es sich um Dephasierungsartefakte handelt, ist das Artefakt umso geringer, je kleiner
die Echozeit ist. Die Verwendung einer hohen Auslesebandbreite ist außerdem von Nutzen;
diese resultiert allerdings in einer Reduktion des SNR.
Bei EPI-Sequenzen, die besonders von Suszeptibilitätsartefakten betroffen sind, erreicht
man eine geringere Sensitivität auf die Artefakte, wenn man den Echozug verkürzt.
Dies kann durch den Einsatz von Parallel Imaging sowie durch Erhöhung der Auslesebandbreite
erfolgen.
Die Artefakte aufgrund inhomogener Fettsättigung können durch Verwendung von Inversion-Recovery-Fettsättigung
anstelle von spektraler Fettsättigung beseitigt werden, denn die T1-Relaxationszeit,
auf der die Inversion-Recovery-Fettsättigung beruht, wird durch die Feldinhomogenitäten
nicht signifikant beeinflusst [15].
Trunkationsartefakt (Gibbs-Ringing)
Ursache des Artefakts
Dieses Artefakt tritt vor allem an Grenzflächen von Geweben auf, an denen sich die
Signalintensität sehr stark verändert. Solche scharfen Kanten resultieren im Frequenzraum
(k-Raum) in hohen Signalamplituden bei hohen räumlichen Frequenzen. Wegen der begrenzten
Auflösung der MRT wird jedoch bei der Signalaufnahme immer ein bestimmter Anteil von
hohen Frequenzen abgeschnitten. Dies resultiert in einer periodischen Intensitätsschwankung
um diese Kanten herum (Abb. [12]), die umso stärker ist, je niedriger die räumliche Auflösung ist [16]. Daher tritt dieses Artefakt heute vor allem bei funktionellen und dynamischen MR-Verfahren
auf, bei denen die räumliche Auflösung – wie z. B. bei der Verwendung von EPI-Sequenzen
– stark begrenzt ist.
Abb. 12 Trunkationsartefakte (Gibbs-Ringing). a Transversale TSE-FLAIR-Aufnahme. b Ausschnitt aus a. Im Bildausschnitt sind deutlich die Oszillationen des Signals zu
erkennen, die parallel zu der Signalkante verlaufen, die die Trunkationsartefakte
auslöst.
Vermeidung des Artefakts
Dieses Artefakt kann in der MRT nie vollständig vermieden werden, da die Zahl der
Pixel immer endlich ist. Allerdings kann er mit den routinemäßig verwendeten Sequenzen
durch Erhöhung der Ortsauflösung so weit verringert werden, dass er im Bild kaum mehr
zu erkennen ist.
Verzeichnungsartefakt
Ursache des Artefakts
Bei Verzeichnungsartefakten tritt eine fehlerhafte räumliche Zuordnung des gemessenen
Signals im MR-Bild auf. Es gibt 2 mögliche Ursachen für Verzeichnungsartefakte:
-
Durch Nichtlinearität der Magnetfeldgradienten werden die Signale der betroffenen
Volumenelemente fehlerhaft frequenz- oder phasencodiert. Solche Verzeichnungsartefakte
treten mit zunehmendem Abstand vom Isozentrum des Magneten verstärkt auf.
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Lokale Feldinhomogenitäten entstehen z. B. aufgrund metallischer Objekte oder aufgrund
von Grenzflächen zwischen Luft und Gewebe oder Luft und Knochen.
Diese Abweichungen des tatsächlichen Magnetfelds vom nominellen statischen Magnetfeld
addieren sich auf die Gradientenfelder und führen zu einer fehlerhaften Registrierung
des Signals. Aus diesen Gründen treten Verzeichnungsartefakte vor allem bei Verfahren
der Datenauslese auf, bei denen sich Phasenfehler über eine längere Auslesezeit aufsummieren,
so z. B. bei Gradienten-Echo-Sequenzen mit niedriger Auslesebandbreite oder bei EPI.
EPI besitzt zwar in Frequenzcodierrichtung eine sehr hohe Bandbreite, allerdings ist
die effektive Bandbreite in Phasencodierrichtung sehr niedrig, da aufgrund des Abtastverfahrens
viel Zeit zwischen der Auslese der ersten und der letzten Phasencodierzeile verstreicht.
Vermeidung des Artefakts
Je nachdem welche der o. g. Ursachen vorliegt, gibt es unterschiedliche Ansätze zur
Reduktion des Artefakts:
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Nicht lineare Gradienten: A posteriori kann die Verzeichnung korrigiert werden, da
man die Linearität der Gradienten für jeden Punkt im Scanner erfassen kann und sich
diese nicht über die Zeit verändert. Solche Verzeichnungskorrekturen existieren sowohl
in der Schichtebene (2D) als auch im gesamten Volumen (3D) [17].
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Inhomogenes statisches Magnetfeld: Eine A-posteriori-Registrierung auf einen Vergleichsdatensatz
ist unbefriedigend, da dieser Korrekturansatz nicht an der Ursache des Artefakts anpackt.
Eine Alternative zu diesen Registrierungsverfahren ist eine gesonderte Aufnahme des
Phasenfehlers mit anschließender Korrektur [18], die allerdings die Messzeit deutlich verlängert. Eine höhere Zeiteffizienz weist
dagegen das B0-Field-Mapping auf, bei dem das Magnetfeld mit einer speziellen Gradienten-Multiecho-Sequenz
Bildpunkt für Bildpunkt gemessen wird [19]
[20]. Basierend auf diesen Feldkarten kann dann auf den Phasenfehler rückgerechnet werden.
Einen gänzlich anderen Ansatz verfolgt der Einsatz des Parallel Imaging: Durch diese
Technik kann der Echozug z. B. bei EPI drastisch verkürzt werden, sodass sich Phasenfehler
nur noch in vermindertem Maß ausbilden können. Da man bei diesem Verfahren keine zusätzliche
Messzeit benötigt, ist es inzwischen das führende Verfahren zur Verringerung der Verzeichnungsartefakte
bei EPI (Abb. [13]).
Abb. 13 Verzeichnungsartefakte. a TSE-FLAIR-Aufnahme. b Bei der Spin-Echo-EPI-Aufnahme sind frontal deutliche Verzeichnungen zu sehen, die
auf die Magnetfeldinhomogenitäten im Bereich der Stirnhöhlen zurückzuführen sind.
Zipper
Ursache des Artefakts
Bildauslese in der MRT bedeutet, dass hochfrequente elektromagnetische Felder erfasst
werden, die von den angeregten Spins ausgestrahlt werden. Damit dieses Signal nicht
durch äußere hochfrequente Sender gestört wird, befindet sich der MR-Tomograf in einem
gegenüber HF-Wellen abgedichteten Raum (Faraday-Käfig). Durch Undichtigkeiten und
Defekte in diesem Faraday-Käfig sowie durch HF-Quellen innerhalb des Scannerraums
kann es dennoch zu einer Einstrahlung von HF-Signalen kommen. Wenn die Bandbreite
des interferierenden MR-Signals klein ist, treten die Artefakte als helle Linie mit
oszillierender Signalintensität in Phasencodierrichtung auf.
Vermeidung des Artefakts
Tritt dieses Artefakt auf, sollte überprüft werden, ob die Tür zum Scannerraum offen
ist oder ggf. elektrische Kabel ohne Führung über die Filterplatte in den Scannerraum
verlegt sind. Beides muss vermieden werden, da sich durch offene Türen bzw. an elektrischen
Leitern Störsignale in den Scannerraum ausbreiten können. Außerdem muss untersucht
werden, ob es ggf. im Scannerraum selbst Störquellen gibt, z. B. flackernde Glühbirnen.
Ist all dies nicht der Fall, dann liegt mit hoher Wahrscheinlichkeit ein Defekt des
Faraday-Käfigs vor, der nur vom Hersteller diagnostiziert und beseitigt werden kann.
Kernaussagen
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Die MRT ist im Vergleich zu anderen radiologischen Verfahren deutlich empfindlicher,
was Bildartefakte angeht. Das Bildsignal hängt von vielen physiologischen und physikalischen
Parametern des Gewebes ab.
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Artefakte können sowohl pathologische Befunde maskieren als auch krankhafte Veränderungen
vortäuschen. Daher ist es wichtig, die Artefaktmuster zu (er)kennen und zu wissen,
wie man sie vermeidet bzw. minimiert.
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Dephasierungs-, Suszeptibilitäts-, Magic-Angle-, Bewegungs- und Verzeichnungsartefakte
sind vor allem vom Patienten abhängig bzw. von der Region, die aufgenommen wird. Allerdings
haben auch Sequenzeinstellungen Einfluss auf diese Artefakte.
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Sättigungs-, Chemical-Shift-, Stimulated-Echo-, Trunkations- und Einfaltungsartefakte
sowie Crosstalk, Blurring und Partialvolumeneffekt sind vor allem von der verwendeten
Sequenz bzw. den eingestellten Sequenzparametern abhängig.
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Die Hardware kann dielektrische Effekte, Spikes und Zipper verursachen.
